第四章-局域网

1第4章计算机局域网络本章内容•局域网的特点及关键技术•局域网的体系结构•共享信道的介质访问控制方法•以太网（Ethernet）•*高速局域网•*无线局域网（WLAN）22.局域网的关键技术•拓扑结构（逻辑、物理）总线型、星形、环形、树形•介质访问方法CSMA/CD、Token-passing•信号传输形式基带、宽带•以上三种技术决定了局域网的特征3LAN典型拓扑结构总线型:所有结点都直接连接到共享信道星型:所有结点都连接到中央结点环型:节点通过点到点链路与相邻节点连接BusStarRingABCADCBABCAT43.局域网体系结构局域网的标准：IEEE802（ISO8802）•IEEE802是一个标准系列：IEEE802,IEEE802.1～IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层•数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC高层OSIIEEE802物理层PHY由TCP/IP和NOS实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口5IEEE802标准系列中的主要标准802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网）802.4-TokenBus（令牌总线）802.5-TokenRing（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB--MAN标准802.8–FDDI（光纤分布数据接口）802.11–WLAN（无线局域网）6IEEE802体系结构示意图数据链路层在不同的子标准中定义•分别对应于LLC子层和MAC子层……802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDB802.8FDDI802.2LLC数据链路层物理层LLCMAC802.1DBridge802体系结构PHY网际互联7局域网的物理层功能：•位流的传输；•同步前序的产生与识别；•信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。两个接口：•连接单元接口（AUI）－可选，仅用于粗同轴电缆•介质相关接口（MDI）屏蔽不同介质的特性，使之不影响MAC子层的操作8局域网的数据链路层按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：•将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。•解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。9局域网的数据链路层的特点：•局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；•支持介质访问控制功能；•提供某些网络层的功能，如网络服务访问点(SAP)、多路复用、流量控制、差错控制、...MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。•对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。10PALLC的帧结构DSAPSSAP控制域数据111/2长度可变单位：字节高层PDULLC首部LLC数据IEEE802LAN的封装过程：LLC帧MAC帧MAC数据分组介质上传输的帧MAC首部MAC尾部MAC尾部MAC数据MAC首部11局域网的网络层和高层IEEE802标准没有定义网络层和更高层：•没有路由选择功能局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接•流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。124.2介质访问控制方法局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：•各站点如何访问共享信道？•如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：•静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不适用于局域网•动态分配（随机接入、受控接入）CSMA/CD、Token-Passing13信道共享技术分类信道共享技术TDMFDMSTDMATDM随机访问受控访问CSMACSMA/CD集中控制分散控制轮询令牌静态分配动态分配以太网令牌环网WDMCDM14局域网中的介质访问控制方法常见的有两种：•载波检测多路访问/冲突检测（CSMA/CD）CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法•令牌传递（TokenPassing）•TokenRing•TokenBus•FDDI采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法151.CSMA/CD多个站点如何安全地使用共享信道？•最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？•若有多个站点都在等待发送，必然冲突！•解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）若信道忙，如何处理？•继续监听：等到信道空闲后立即发送等到信道空闲后等待随机时间后再发送•等待一段随机时间后再重新检测信道•一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！16CSMA/CD—带冲突检测的载波监听多路访问•用于IEEE802.3以太网•工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；•发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。•归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。CAMA/CD动画演示1718站点1站点2距离Lta0t2ta传播时延tCSMA/CD协议的时间槽时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传播时延为a，则时间槽＝2a。如下图所示：ta站点2发送帧碰撞2ta站点2停止发送当δ→0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→2a。19时间槽的意义：•一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；•时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！以太网中，时间槽＝51.2µs•传输速率＝10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）。•由此可知：1.冲突只可能在一帧的前64字节内发生；2.帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；•∴以太网规定，最小帧长度为64字节3.长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。•想一想：什么情况下会产生碎片帧？20与时间槽相关的几个网络参数采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：Fmin＝kSRk:系数•可以看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。•非常重要的结论！21退避时间的确定（退避算法）CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法算法如下：•1.令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；•2.k=min（重传次数，10）；•3.r=在[0,1,…,(2k-1)]中随机取一个数；•4.退避时间=rT。限定最大重传次数＝16，若发送16次仍不成功，则发送失败。22CSMA/CD的优缺点控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：•30％－40％以内•延迟时间短、速度快网络负载重时，性能急遽下降：•70％－80％以上•冲突数量的增长使网络速度大幅度下降232.令牌传递（TokenPassing）ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路主要用于IEEE802.5令牌环网拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环24TokenRing/802.5的操作哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令牌，使其余的站点能获得帧的发送权。25TokenRing/802.5的操作举例AT=0T（c）帧循环一圈后,A将数据帧回收并放出空令牌AT=0TData（a）A有数据要发送,它抓住空令牌（b）AT=1A将令牌修改为数据帧头,并加挂数据发送TDataCData目的站点从环上拷贝数据TDataCTDataCTDataC2627令牌环网的实际结构——星型环路ABCDE集线器284.3传统以太网以太网的产生与发展•70年代中期由施乐公司（BobMetcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的•经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）DIXV1（1980）、DIXV2（1982）－EthernetII特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆•1985年被采纳为IEEE802.3，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”•EthernetII和IEEE802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同•目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展…教材P108一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。29IEEE802.3以太网标准（主要的）传统以太网：10Mb/s•802.3——粗同轴电缆•802.3a——细同轴电缆•802.3i——双绞线•802.3j——光纤快速以太网（FE）：100Mb/s•802.3u——双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）•802.3z——屏蔽短双绞线、光纤•802.3ab——双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s•802.3ae——光纤30以太网的物理层选项与标识方法•速率、信号方式、介质类型速率（Mb/s）基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位:百米）或介质类型（T，F，X）10Base5传统以太网•10Base5粗同轴•10Base2细同轴•10Base-TUTP•10Base-FMMF快速以太网和千兆以太网•100Base-TUTP•100Base-FMMF/SMF•1000Base-XSTP/MMF/SMF•1000Base-TUTP传统以太网的四种物理层选项的特征见教材p109，表4.331Ethernet/802.3操作任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。ABCAC发送帧，目的地址为AABCA复制该帧A信号由终端电阻吸收ABCC发现网络空闲终端电阻ABCB忽略该帧A32Ethernet/IEEE802.3帧格式PR：前导码-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界符–10101011，表示一帧的开始DA/SA：目的/源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500Type：类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节,最多1500字节，不够时以Pad填充Pad：填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节FCS：帧校验序列（CRC-32）66246-15004字节FCSSATypeDADataPadEthernetIEEE802.32/